科技进展ZiranZazhiVol.24No.l
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几
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二
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生植物;也可用水生植物的有效提取成分，来控制水华.
总之以生态系统理论为基础，用生态工程方法作技术保
证是今后富营养化湖泊水生植物群落组建和恢复研究
的基本方向和出发点.
湖泊水生植被的恢复、组建在理论上是可行的，在
实践上是可操作的，所以水生植被在控制并解决湖泊的
富营养化方面具有光明的前景.(2001年4月25日收到)18
19
20
21
王海珍
陈德辉
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王全喜
刘永定
硕士研究生，上海师范大学应用生态研究所，上海
21刃234
副研究员，上海师范大学应用生态研究所，上海
2仪层抖
教授，上海师范大学应用生态研究所，上海r
研究员。中国科学院水生生物研究所，武汉430072
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TheEffectofAquaticVegetationonEcologicalResto-
rationofEutrophicationLake
WangHai-zheno，ChenDe-huio，WangQuan-xi)，
LitYong-ding
①GraduateStudent，②AssociateProfessor,③Professor,InstituteofAp-
pliedEeolog)，ShanghaiTeachersUniversity,Shanghai200234
④ResearchProfessor,InstituteofHydrobiology,CAS，Wuhan430072
Keywordsaquaticvegetation,eutrophication,constructionandrestoration
原子力显微镜及其应用
刘小虹颜肖慈罗明道李伟(武汉大学化学与分子科学学院)
关键词原子力显微镜针尖微悬臂扫描探针显微镜
本文简要介绍了原子力显微镜的发展史，评述了原子力显微镜的工作原理、工作模式及技术，并对其在众多科研
领域的应用以及所取得的成果作一概述.
一、基于STM概念上的AFM的发展
概述
在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小
于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向.1933年
德国Ruska和Knoll研制了第一台电子显微镜.继后，许
多用于表面结构分析的现代仪器问世.如透射电子显微
镜CI''EM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM),
俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等，但是多数
技术都无法真正地直接观测物体的微观世界.1982年，
GerdBinnig和HeinrichRohre:在IBM公司苏黎世实验室
共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanningtunnel-
吨microscope,STM)[1]，使人们首次能够真正实时地观察
到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为
有关的物理、化学性质[[2].1986年，Binnig和Rohrer被授
予诺贝尔物理学奖.STM是继高分辨透射电子显微镜、
场离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结
构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.1run，垂直方向
可达0.01nm.STM不受其他表面结构分析仪器的真空
测试环境的限制，可在大气、液体环境下，直接观察到物
质的表面特征.目前STM已在化学、物理、生命科学和材
36
自然杂志24卷1期科技进展
之
丁11。一土
x参
少
丁
1]11=co
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料科学等学科的许多领域得到广泛的应用.SIM的工作
原理是基于量子理论中的隧道效应.将原子线度的极细
探针和被研究的样品的表面作为两个电极，当样品的表
面与探针针尖的距离非常近时(一般小于1nn)，在外加
电场作用下，电子会穿过两个电子之间的势垒流向另一
电极，从而产生隧道效应.STM的探针是由针尖与样品
之间的隧道电流的变化决定的，因此STM要求样品表面
能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的
表面结构对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电
薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且导电薄
膜掩盖了物质表面的细节.为了克服STM的不足之处，
Binnig,Quate和Gerber决定用微悬臂作为力信号的传播
媒介，把微悬臂放在样品和SIM的针尖之间，于1986年
推出了原子力显微镜(atomicforcemicroscope,AFM)[3}.
AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原
子力)来获得物质表面形貌的信息.因此，AFM除导电样
品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用
导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔.它得到的是对
应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充STM对样品
观测得到的信息，且分辨率亦可达原子级水平[’].正如
Binnig在研制出AFM之初时所指出的那样:“该仪器能
测出小到单个原子间的相互作用力，若在低温条件下，
甚至能检测出10-18N的微小作用力”1'').1988年，国外
开始对AFM进行改进，研制出了激光检测原子力显微镜
(Laser-AFM)[“一“〕.我国中国科学院化学所白春礼等人
在1988年初成功地研制了国内第一台集计算机控制、数
据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜
(STM).在同年底又研制出我国第一台原子力显微镜
(AFM).,其性能一下子就达到原子级分辨率.后来又在已
有的STM和AFM的基础上[e,iol，成功地研制出国内首
台全自动Laser一AFM[u]，其横向分辨率为0.13ran.以
SIM和AFM为基础，衍生出了一系列的扫描探针显微镜
(scanningprobemicroscope,SPM)，有激光力显微镜(LFM),
磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、近光光
学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离
子电导显微镜(SICM)等.
扫描探针显微镜(SPM)标志着对物质表面在纳米级
上成像和分析的一个新技术领域的诞生，必将为纳米技
术的发展注人新的活力.
STM反馈FAFM
扫描反馈
(b)
A一AFM样品
B一AFM金刚石针尖
C一STM针尖(金)
D一微悬臂
E一调制压电陶瓷
F一氟橡胶
25wn巷0}
悬臂
(金箔)
图1AF''M工作原理
二、AFM的工作原理和工作模式
(1)AFM的工作原理
AFM的工作原理结构示意图见图1.
在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂
上的极细探针代替STM中的简单的金属极细探针.当探
针与样品接触时，由于它们原子之间存在极微弱的作用
力(吸引或排斥力)，引起微悬臂偏转.扫描时控制这种
作用力恒定，带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的
等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电
检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬
臂的偏转进行扫描，测得微悬臂对应于扫描各点的位置
变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三
维立体形貌图像.
AFM的核心部件是力的传感器件，包括微悬臂
(Cantilever)和固定于其一端的针尖.
根据物理学原理，施加到Cantilever末端力的表达
式为[12)
F二KAZ
式中，AZ表示针尖相对于试样间的距离，K为Can-
tilever的弹性系数.
力的变化均可以通过Cantilever被检测.根据力的检
测方法，AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另
一类是检测探针的角度变化(3,71.由于后者在Z方向上
的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状，因此
受到样品的重量及形状大小的限制比前者小、
微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心.为了能够
准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力
的变化，得到更真实的样品表面形貌，提高AFM的灵敏
度，微悬臂的设计通常要求满足下述条件:①较低的力
学弹性系数，使很小的力就可以产生可观测的位移;②
较高的力学共振频率;③高的横向刚性，针尖与样品表
面的摩擦不会使它发生弯曲;④微悬臂长度尽可能短;
⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测
科技进展ZiranZazhiVol.24No.1
其动态位移的镜子或电极;⑥针尖尽可能尖锐.AFM仪
器的发展，也可以说是微悬臂和针尖不断改进的过程.
一般AFM采用微机机械加工技术制作的硅、氧化硅及氮
化硅(Si3N4)微悬臂.但近年来，日、美等国相继展开了把
压电微悬臂代替普通微悬臂用于AFM的研究，取得了很
好的效果.我国在这方面的工作也得到了重视.
(2)AFM的工作模式
AFM有三种不同的工作模式:接触模式(contact
mode)、非接触模式(noncontactmode)和共振模式或轻敲
模式(TappingMode).
①接触模式
接触模式包括恒力模式(constant-forcemode)和恒高
模式(constant-heightmode).在恒力模式中，通过反馈线圈
调节微悬臂的偏转程度不变，从而保证样品与针尖之间
的作用力恒定，当沿x,y方向扫描时，记录Z方向上扫
描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像.这种
模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与
样品表面之间的距离，这样样品的高度值较准确，适用
于物质的表面分析.在恒高模式中，保持样品与针尖的
相对高度不变，直接测量出微悬臂的偏转情况，即扫描
器在:方向上的移动情况来获得图像.这种模式对样品
高度的变化较为敏感，可实现样品的快速扫描，适用于
分子、原子的图像的观察.接触模式的特点是探针与样
品表面紧密接触并在表面上滑动.针尖与样品之间的相
互作用力是两者相接触原子间的排斥力，约为10-$
10-"N.接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、
高分辨样品表面形貌图像.但由于针尖在样品表面上滑
动及样品表面与针尖的粘附力，可能使得针尖受到损
害，样品产生变形，故对不易变形的低弹性样品存在
缺点.
②非接触模式
非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触，在
样品表面上方5一20nn距离内扫描.针尖与样品之间的
距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的，
在这种模式中，样品与针尖之间的相互作用力是吸引力
—范德华力.由于吸引力小于排斥力，故灵敏度比接
触模式高，但分辨率比接触模式低.非接触模式不适用
于在液体中成像.
③轻敲模式
在轻敲模式中，通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖
的微悬臂以某一高频的共振频率和0.01一1rim的振幅
在Z方向上共振，而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶
减振器来改变.同时反馈系统通过调整样品与针尖间距
来控制微悬臂振幅与相位，记录样品的上下移动情况，
即在Z方向上扫描器的移动情况来获得图像.由于微悬
臂的高频振动，使得针尖与样品之间频繁接触的时间相
当短，针尖与样品可以接触，也可以不接触，且有足够的
振幅来克服样品与针尖之间的粘附力.因此适用于柔
软、易脆和粘附性较强的样品，且不对它们产生破坏.这
种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结
构研究中应用广泛.
(3)AFM中针尖与样品之间的作用力
AFM检测的是微悬臂的偏移量，而此偏移量取决于
样品与探针之间的相互作用力.其相互作用力主要是针
尖最后一个原子和样品表面附近最后一个原子之间的
作用力，
当探针与样品之间的距离d较大(大于5nm)时，它
们之间的相互作用力表现为范德华力(VanderWaals
forces).可假设针尖是球状的，样品表面是平面的，则范
德华力随1/矛变化.如果探针与样品表面相接触或它们
之间的间距d小于0.3nm，则探针与样品之间的力表现
为排斥力(Pauliexclusionforces).这种排斥力与d13成反
比变化，比范德华力随d的变化大得多.探针与样品之
间的相互作用力约为10-6一10-9N，在如此小的力作用
下，探针可以探测原子，而不损坏样品表面的结构细节.
样品与探针的作用力还有其他形式，如当样品与探针在
液体介质中相接触时，往往在它们的表面有电荷，从而
产生静电力;样品与针尖都有可能发生变形，这样样品
与针尖之间有形变力;特定磁性材料的样品和探针可产
生磁力作用;对另一些特定样品和探针，可能样品原子
与探针原子之间存在相互的化学作用，而产生化学作用
力.但在研究样品与探针之间的作用力的大小时，往往
假设样品与探针特定的形状(如平面样品、球状探针)，
可对样品和探针精心设计与预处理，避免或忽略静电
力、形变力、磁力、化学作用力等的影响，而只考虑范德
华力和排斥力〔13].
(4)AFM的针尖技术
探针是AFM的核心部件.目前，一般的探针式表面
形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm，而STM更高，达
到0.01nm，因此足以检测出物质表面的微观形貌.但
是，探针针尖曲率半径的大小将直接影响到测量的水平
分辨率.Bustamante等人〔14〕指出，当样品的尺寸大小与探
针针尖的曲率半径相当或更小时，会出现“扩宽效应”，
即实际观测到的样品宽度偏大.这种误差来源于针尖边
壁同样品的相互作用以及微悬臂受力变形〔15,16].另外，
1.i等人〔17]发现某些AFM图像的失真在于针尖受到污
染一般的机械触针为金刚石材料，其最小曲率半径约
20nm.普通的AFM探针材料是硅、氧化硅或氮化硅
自然杂志24卷1期科技进展
(Si3N4)，其最小曲率半径可达10rim.由于可能存在“扩
宽效应”，针尖技术的发展在AFM中非常重要.其一是发
展制得更尖锐的探针，如用电子沉积法制得的探针，其
针尖曲率半径在5一10nn之间〔‘“〕.其二是对探针进行
修饰，从而发展起针尖修饰技术.目前，用于AFM针尖修
饰的技术[19]主要有:①自组单分子膜修饰AFM针尖.这
种化学修饰过的AFM针尖可用来定量测定基底与针尖
自组膜的尾部基团之间的粘附力和摩擦力[20.211②生物
分子修饰AFM针尖.Florin等人〔221用生物素修饰了AFM
针尖，首先测量了单个配体/受体对之间的相互作用力.
③纳米碳管修饰AFM针尖.纳米碳管材料的研究是目前
热门课题之一〔231.纳米碳管具有非常适合于作为AFM
针尖材料的物理、化学性质:良好的外形比例、尖端极
小、良好的弹性、碳原子的反应多种多样(易于制功能化
AFM针尖)等.Wong等人〔24)用单层纳米碳管和多层纳米
碳管修饰AFM针尖，它具有很高的空间分辨率，并通过
化学反应进行胺基或梭基自组装膜，使针尖具有高度的
化学敏感性.这种用纳米碳管修饰的针尖能用于单个配
体/受体对之间相互作用、单个酸碱反应基团化学力滴
定、化学力成像识别基底处的不同基团等的测量.这些
针尖修饰技术在传统探测的物理量(力场、电场、磁场
等)的基础上，引人了“化学场”，从而大大地提高和改善
了AFM的空间分辨率和物质识别能力.
探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及
样品图像的空间分辨率.因此针尖技术的发展有赖于对
针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计.只有设计
出更尖锐、更功能化的探针，改善AFM的力调制成像
(forcemodulationimaging)技术和相位成像(phaseimaging)
技术的成像环境，同时改进被测样品的制备方法，才能
真正地提高样品表面形貌图像的质量.
三、AFM的应用
以SIM和AFM为基础发展起来的SPM可以对被测
样品表面及近表面区域的物理特性在原子级分辨率的
水平上进行探测.AFM是利用样品表面与探针之间力的
相互作用这一物理现象，因此不受SIM等要求样品表面
能够导电的限制，可对导体进行探测，对于不具有导电
J性的组织、生物材料和有机材料等绝缘体，AFM同样可
得到高分辨率的表面形貌图像，从而使它更具有适应
性，更具有广阔的应用空间.此外，AFM可以在真空〔251
超高真空〔261、气体[271、溶液〔281、电化学环境〔291、常温和
低温等环境下工作，可供研究时选择适当的环境，其基
底可以是云母〔301、硅[[311、高取向热解石墨[321、玻璃[331
和金[川等.AFM已被广泛地应用于表面分析的各个领
域，通过对表面形貌的分析、归纳、总结，以获得更深层
次的信息.本文仅对几个重要领域的AFM应用举例作简
单介绍.
在物理学中，AFM可以用于研究金属和半导体的表
面形貌、表面重构、表面电子态及动态过程，超导体表面
结构和电子态层状材料中的电荷密度等.从理论上讲，
金属的表面结构可由晶体结构推断出，但实际上金属表
面很复杂.衍射分析方法已经表明，在许多情况下，表面
形成超晶体结构(称为表面重构)，可使表面自由能达到
最小值.而借助AFM可以方便得到某些金属、半导体的
重构图像.例如，Si(111)表面的7x7重构在表面科学中
提出过多种理论和实验技术，而采用AFM与STM相结
合技术可获得硅活性表面Si(111)一7x7的原子级分辨
率图像.AFM已经获得了包括绝缘体和导体在内的许多
不同材料的原子级分辨率图像.
扫描探针显微镜(SPM)系列的发展，使人们实现了
纳秒及纳米尺寸的过程模拟，微观摩擦学的研究在工程
和技术上得到展开，并提出了纳米摩擦学的概念.纳米
摩擦学将对纳米材料学、纳米电子学和纳米机械学的发
展起着重要的推动作用.而AFM在摩擦学中的应用又将
进一步促进纳米摩擦学的发展.AFM在纳米摩擦、纳米
润滑、纳米磨损、纳米摩擦化学反应和机电纳米表面加
工等方面得到应用，它可以实现纳米级尺寸和纳牛级微
弱力的测量，可以获得相界、分形结构和横向力等信息
的空间三维图像.Sheehan等人〔351在AFM探针上修饰纳
米Moo单晶研究摩擦，发现了摩擦的各向异性.
现场STM在电化学中应用广泛，但存在法拉第电流
等的干扰.而AFM在水或电解质溶液等电化学环境下工
作稳定，因此化学工作者努力将AFM应用于现场电化
学.1991年Mann。等人使第一个现场电化学原子力显微
镜(ECAFM)实验获得成功〔361，目前AFM已成功应用于
现场电化学研究.这些研究主要有三个方向:界面结构
的表征、界面动态学和化学材料及结构，如观察和研究
单晶、多晶局部表面结构、表面缺陷和表面重构、表面吸
附物种的形态和结构、金属电极的氧化还原过程、金属
或半导体的表面电腐蚀过程、有机分子的电聚合及电极
表面上的沉积等.在电化学环境下，将AFM应用于对材
料表面的纳米加工或修饰是当前的一个热门课题〔刘在
AFM的作用下，可在材料表面均匀地产生大量金属纳米
颗粒[[381，诱导硅的局域刻蚀、增强导电聚合物的局域聚
合[[39〕等.WuHu咖an等人〔401用AFM研究了磷酸溶液中
铝片的阳极氧化过程，观测了1Fan尺寸内的铝片的表
面形貌的初始发展情况.
科技进展ZiranZazhiVol.24No.1
AFM在高分子领域中的应用已由最初的聚合物表
面几何形貌的观测，发展到深人高分子的纳米级结构和
表面性能等新领域，并提出了许多新概念和新方法(411
对高分子聚合物样品的观测，AFM可达纳米级分辨率，
能得到真实空间的表面形貌三维图像，同时可以用于研
究表面结构动态过程.如Park等人〔421用AM对聚甲基
丙烯酸丁Aa(PBMA)的成膜过程作了研究.
LB膜(Langmuir-Blodgettfilm)是一种分子有序排列
的有机超薄膜.这种膜不仅是薄膜科学的重要内容，也
是物理学、电子学、化学、生物学等多种学科相互交叉又
渗透的新的研究领域.LB膜技术是近年来国内外研究的
热点之一，与STM相比，AFM更适合多种材料LB膜的研
究.它可以直接观测到分子膜中分子的排列结构、取向
及分子链的空间构象，可以方便获得实空间中分子膜在
固体载体表面上形成状况的三维形貌图像，可以实时地
观察分子膜的衰变、聚合、相变、晶畴形成等动态过程.
如Meyer等人〔431在多晶体硅表面上首次观察到有机小
分子LB膜表面分子的有序排列结构.
在生物学上，AFM比STM更易阐明脱氧核糖核酸
(DNA)、蛋白质，多糖等生物大分子的结构，且有其独特
的优势:生物大分子样品不需要覆盖导电薄膜;可在多
种环境下直接实时观测;图像分辨率高;基底选择性强
等.从Lindsay等人首次用AFM获得DNA分子的图像以
来，AFM便成为研究DNA分子的重要工具.1992年，Bus-
tamant。等人〔14〕用AFM获得可重复的质粒DNA分子
图像.
20世纪90年代以来，全球范围内掀起了纳米科学
与技术革命.纳米技术是在纳米(10-9m)和原子(约
10-10时尺度(0.1一100run)上研究物质(包括分子、原
子)的特性及其相互作用，以及利用这些特性的多学科
交叉的前沿科学与技术.AFM在纳米技术中的应用必将
极大地促进纳米技术不断发展.除物理、化学、生物等领
域外，AFM在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领
域都有着广泛的应用和巨大的应用前景.可以预言，在
未来科学的发展中，AFM将渗透到表面科学、材料科学、
生命科学等各个科学技术领域中，(2001年4月28日收到)
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LiuXiao-hone，YanXiao-cio，LuoMing-dao)，
hWei")
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CollegeofChemistryandMolecularScience,WuhanUniversity,Wuhan
430072
Keywordsatomicforcemicroscope,tip,cantilever,scanningprobemicro-
scope
·40·
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